Grafenopdagelse kan hjælpe med at generere billigere og mere bæredygtig brint

Forskere fra University of Manchester og University of Warwick løste endelig det mangeårige puslespil om, hvorfor grafen er så meget mere gennemtrængelig for protoner end forventet af teorien.

For et årti siden viste forskere ved University of Manchester, at grafen er permeabelt for protoner, kerner af brintatomer. Det uventede resultat startede en debat i samfundet, fordi teorien forudsagde, at det ville tage milliarder af år for en proton at trænge igennem grafens tætte krystallinske struktur. Dette havde ført til forslag om, at protoner ikke trænger gennem selve krystalgitteret, men gennem hullerne i dets struktur.

Skriv nu i Nature , et samarbejde mellem University of Warwick, ledet af Prof Patrick Unwin, og University of Manchester, ledet af Dr. Marcelo Lozada-Hidalgo og Prof Andre Geim, rapporterer ultra-høj rumlig opløsningsmålinger af protontransport gennem grafen og beviser, at perfekt grafenkrystaller er permeable for protoner. Uventet accelereres protoner kraftigt omkring rynker og krusninger i nanoskala i krystallen.

Opdagelsen har potentiale til at accelerere brintøkonomien. Dyre katalysatorer og membraner, nogle gange med betydeligt miljømæssigt fodaftryk, som i øjeblikket bruges til at generere og udnytte brint, kunne erstattes med mere bæredygtige 2D-krystaller, hvilket reducerer kulstofemissioner og bidrager til netto nul gennem generering af grøn brint.

Holdet brugte en teknik kendt som scanning elektrokemisk cellemikroskopi (SECCM) til at måle små protonstrømme indsamlet fra områder på nanometerstørrelse. Dette gjorde det muligt for forskerne at visualisere den rumlige fordeling af protonstrømme gennem grafenmembraner. Hvis protontransport fandt sted gennem huller, som nogle videnskabsmænd spekulerede på, ville strømmene være koncentreret i nogle få isolerede pletter. Der blev ikke fundet sådanne isolerede pletter, hvilket udelukkede tilstedeværelsen af ​​huller i grafenmembranerne.

Drs. Segun Wahab og Enrico Daviddi, førende forfattere af papiret, kommenterede:"Vi var overraskede over at se absolut ingen defekter i grafenkrystallerne. Vores resultater giver mikroskopiske beviser for, at grafen i sig selv er permeabelt for protoner."

Uventet viste det sig, at protonstrømmene blev accelereret omkring rynker på nanometerstørrelse i krystallerne. Forskerne fandt ud af, at dette opstår, fordi rynkerne effektivt 'strækker' grafengitteret og dermed giver et større rum for protoner at trænge gennem det uberørte krystalgitter. Denne observation forener nu eksperimentet og teorien.

Dr. Lozada-Hidalgo sagde:"Vi strækker effektivt et net i atomskala og observerer en højere strøm gennem de strakte interatomiske rum i dette net - ufatteligt."

Prof Unwin kommenterede:"Disse resultater viser SECCM, udviklet i vores laboratorium, som en kraftfuld teknik til at opnå mikroskopisk indsigt i elektrokemiske grænseflader, hvilket åbner spændende muligheder for design af næste generations membraner og separatorer, der involverer protoner."

Forfatterne er begejstrede for denne opdagelses potentiale for at muliggøre nye brintbaserede teknologier.

Dr. Lozada-Hidalgo sagde:"At udnytte den katalytiske aktivitet af krusninger og rynker i 2D-krystaller er en fundamentalt ny måde at accelerere iontransport og kemiske reaktioner på. Dette kan føre til udviklingen af ​​billige katalysatorer til brint-relaterede teknologier."

Flere oplysninger: Marcelo Lozada-Hidalgo, Protontransport gennem nanoskala-bølger i todimensionelle krystaller, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06247-6. www.nature.com/articles/s41586-023-06247-6

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Manchester